Análise estrutural de um eixo autodirecional de reboque rodoviário

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(1)Universidade de Aveiro. Departamento de Engenharia Mecânica. 2014. Fernando Jorge. Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque. Antunes Vergas. Rodoviário.

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(3) Universidade de Aveiro. Departamento de Engenharia Mecânica. 2014. Fernando Jorge. Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque. Antunes Vergas. Rodoviário. Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor Francisco José Malheiro Queirós de Melo, Professor Associado com Agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro..

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(5) O júri. Presidente. Prof. Doutor João Paulo Davim Tavares da Silva Professor Associado C/ Agregação da Universidade de Aveiro. Prof. Doutor José Luís Soares Esteves Professor Auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (arguente). Prof. Doutor Francisco Queirós de Melo Professor Associado da Universidade de Aveiro (orientador).

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(7) Agradecimentos. Quero agradecer ao Professor Doutor Francisco Queirós de Melo pela ótima orientação, disponibilidade e pela amizade que permitiu que se construísse ao longo do tempo. Agradeço a todos que contribuíram para o terminar desta etapa e que de alguma forma contribuíram para a realização deste sonho. Foi um percurso árduo, em que muitas amizades cresceram e crescerão após o finalizar desta etapa académica.. Muito obrigado..

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(9) Palavras-chave. Eixo autodirecional, rodoviário, parâmetros geomêtricos, reboque, cinemática, traçado simples, método dos elementos finitos.. Resumo. A dissertação que aqui se apresenta prende-se com a criação de um eixo autodireccional de processos e de fabrico simples, já que uma das maiores preocupações é limitar o seu custo, mas sem afetar a segurança do veículo que este equipe. Nos dias atuais, o custo associado a um novo produto representa cada vez mais um papel fulcral na sua inserção e aceitação no mercado. Para atingir esse objetivo foi feita uma pesquisa sobre os produtos similares existentes no mercado, o modo como foram fabricados e a forma como são usados. Usando o software de CAD SolidWorks 2014, conseguiu-se obter uma geometria de traçado simples. Também recorrendo ao SolidWorks 2014, foi possível simular comportamentos reais dos vários elementos e recolher dados fornecidos pelo software, que utiliza o método dos elementos finitos para a análise..

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(11) Keywords. Self-steering axle, highway, geometric parameters, trailer, kinematics, simple layout, finite element method.. Abstract. The thesis presented here deals with the creation of a self-steering axle with simple manufacturing processes, since one of the biggest concerns is to limit his cost, but without affecting the safety of the vehicle. Nowadays, the cost associated with a new product represents an increasingly role in their insertion and market acceptance. To achieve this goal was made a research on similar products on the market, the way they are manufactured and how they are used. Using CAD software SolidWorks 2014, managed to get a simple geometry. Also using the SolidWorks 2014, it was possible to simulate the real behaviors of the different elements and collect the data provided by software, which uses the finite element method for the analysis..

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(13) Índice 1. Introdução: Soluções clássicas de projeto existentes .............................................. 2 1.1 Reboque: cinemática essencial ............................................................................ 2 1.2. Parâmetros geométricos de projeto .................................................................. 3. 1.2.1. Ângulo Caster (ou Castor)....................................................................... 4. 1.2.2 Ângulo de Camber ....................................................................................... 5 1.2.3 Ângulo de convergência das rodas ................................................................ 7 1.3 2. Soluções de engenharia ................................................................................... 8. Eixo autodirecional ............................................................................................. 12 2.1 Enquadramento ................................................................................................. 12 2.2 O mercado ......................................................................................................... 12 2.3 O Modelo .......................................................................................................... 16 2.4 Montagem ......................................................................................................... 25 2.5 Material ............................................................................................................. 29. 3. Modelação de forças e análise estrutural .............................................................. 30 3.1 Software ............................................................................................................ 30 3.2 Modelação de forças .......................................................................................... 31 3.3 Análise estrutural .............................................................................................. 34 3.3.1 Análise estática de tensões .......................................................................... 34 3.3.1.1 Em caso de travagem ............................................................................ 34 3.3.1.2 No caso de quase impacto ..................................................................... 38 3.3.2 Análise à fadiga .......................................................................................... 41. 4. Conclusão ........................................................................................................... 42. 5. Trabalhos futuros ................................................................................................ 44. 6. Bibliografia ......................................................................................................... 46. 7. Anexo A – Desenhos de definição ....................................................................... 48. 8. Anexo B – Resultados das simulações ................................................................. 50.

(14) 9. Anexo C - Diversos ............................................................................................. 52 9.1 Cálculo de Pressão ............................................................................................ 53 9.2 Dimensionamento à Fadiga ............................................................................... 54.

(15) Índice de Figuras Figura 1 - Rudolph Ackermann (1764 - 1834) [1] ......................................................... 2 Figura 2 - Geometria de Ackermann [3] ........................................................................ 3 Figura 3 - Ângulo Caster num sistema de king pin [5]................................................... 4 Figura 4 - Ângulo de Camber [4] .................................................................................. 5 Figura 5 - Inclinação king pin [4] .................................................................................. 6 Figura 6 - Convergência das rodas [4] ........................................................................... 7 Figura 7 - Geometria de uma carruagem [3] .................................................................. 9 Figura 8 - Representação esquemática da geometria de Ackermann [3] ......................... 9 Figura 9 - Eixo fabricado pela Detroit [6].................................................................... 13 Figura 10 - Eixo fabricado pela VSE [7] ..................................................................... 13 Figura 11 - Outro eixo fabricado pela VSE [7] ............................................................ 14 Figura 12 - Eixo produzido pela BPW [8] ................................................................... 14 Figura 13 - Outra vista do eixo da BPW [8]................................................................. 15 Figura 14 - Modelo da autoria da Colaert Essieux [9].................................................. 15 Figura 15 - Primeiros esquiços .................................................................................... 17 Figura 16 - Esquiço com medidas................................................................................ 17 Figura 17 Geometria inicial ......................................................................................... 18 Figura 18 - Eixo e seus componentes (1-Trave Central; 2-Cotovelo; 3-Braço; 4-Eixo da Roda; 5-Pino; 6-Apoio Barra de Direção; 7-Barra de Direção;8-Ajuste Barra de Direção) ...................................................................................................................... 19 Figura 19 - Braço ........................................................................................................ 20 Figura 20 - Cotovelo ................................................................................................... 20 Figura 21 - Trave central ............................................................................................. 21 Figura 22 - Placa de apoio da barra de direção............................................................. 21 Figura 23 - Barra de direção ........................................................................................ 22 Figura 24 - Ajuste de convergência ............................................................................. 23 Figura 25 - Pino .......................................................................................................... 23 Figura 26 - Peça representativa do eixo da roda ........................................................... 24 Figura 27 - Representação da Geometria de Ackermann no eixo projetado .................. 25 Figura 28 - Posição de montagem do Rolamento de Agulhas....................................... 26 Figura 29 - Posição de montagem do Casquilho .......................................................... 27.

(16) Figura 30 - Posição de montagem do Pino ................................................................... 27 Figura 31 - Exemplo de montagem do Eixo projetado à suspensão do veículo [12] ..... 28 Figura 32 - Representação da aplicação de forças e pressões na peça........................... 31 Figura 33 - Forças geradas no braço de montagem do king pin por efeito do momento de travagem ..................................................................................................................... 32 Figura 34 - Força aplicada na face inferior e pressão no interior do furo ...................... 33 Figura 35 - Pressão aplicada na trave .......................................................................... 34 Figura 36 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Trave central) ................................................................................................................................... 35 Figura 37 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Cotovelo) .... 36 Figura 38 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Braço) ........ 37 Figura 39 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Pino) ........... 38 Figura 40 - Tensões de von Mises num caso quase impacto (Trave central) ................. 39 Figura 41 - Tensões de von Mises num caso de quase impacto (Cotovelo) .................. 40 Figura 42 - Tensões de von Mises num caso de quase impacto (Braço) ....................... 41 Figura 43 - Representação das Reações e Momento em metade do Pino em mm ......... 53.

(17) Índice de Tabelas Tabela 1 - Descrição e quantidades dos componentes do eixo ..................................... 28 Tabela 2 - Caraterísticas mecânicas dos aços utilizados [17]........................................ 29.

(18) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. Fernando Vergas. 2013/14. 1.

(19) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 1 Introdução: Soluções clássicas de projeto existentes 1.1 Reboque: cinemática essencial Um reboque é uma estrutura móvel sobre rodas apta a ser movimentada por um veículo trator. As rodas do reboque são montadas em eixos capazes de orientar a trajetória do reboque e de absorver as irregularidades do piso através da suspensão. Dada a necessidade de efetuar trajetórias curvas, é necessário existir um eixo capaz de orientar as rodas para efetuar a trajetória curva de modo a que não haja perda de estabilidade e segurança durante a realização da manobra. Tal, significa que as rodas não possam estar submetidas a esforços axiais devido a escorregamento de pneus por interferência das trajetórias a realizar por cada roda. Um exemplo desta situação verifica-se se as rodas estiverem em planos paralelos há escorregamentos axiais e perda de estabilidade por falta de aderência. Este facto foi analisado por Rudolph Ackermann, anglo-alemão, inicialmente livreiro e mais tarde inventor e engenheiro (Figura 1).. Figura 1 - Rudolph Ackermann (1764 - 1834) [1]. A geometria de direção de Rudolph Ackermann consiste num arranjo geométrico aplicado à direção de um veículo, por forma a resolver o problema de viragem das rodas, permitindo que a roda interior e exterior possam traçar círculos de diferentes raios. [2]. Fernando Vergas. 2.

(20) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 2 - Geometria de Ackermann [3]. Como se pode observar na Figura 2 que retrata uma típica curva à esquerda, podese verificar que cada roda tem o seu próprio ângulo de inclinação, indo cada uma percorrer um traçado circular com raios distintos, contudo no mesmo centro. Isto é garantido por uma barra de direção rígida que une ambos os pinos mestres de direção. Este mecanismo serve de garantia que ambas as rodas tracem circunferências concêntricas apesar do ângulo de viragem. Desta forma, a intenção de Ackermann é evitar o escorregamento axial das rodas ao descrever uma curva. Ambas as rodas rodam sobre o mesmo ponto central mas com ângulos diferentes, sendo que a roda interior, em curva, apresenta um ângulo maior de viragem em relação à roda exterior. [4]. 1.2 Parâmetros geométricos de projeto Para além do ângulo de viragem das rodas direcionais, anteriormente explicado, há parâmetros de grande importância que devem ser implementados no projeto de um moderno sistema de direção convencional para veículos automóveis, particularmente no caso de eixos autodireccionais aqui analisados.. Fernando Vergas. 3.

(21) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 1.2.1 Ângulo Caster (ou Castor). Figura 3 - Ângulo Caster num sistema de king pin [5]. Uma das mais simples formas de demonstrar a utilidade do ângulo Caster, é usar o exemplo da bicicleta, em que é notório que a forqueta da mesma se encontra inclinada para trás. Traçando uma linha reta desde do seu topo, passando no centro da roda, observa-se que a linha não coincidirá com o ponto de contacto do pneu com o piso, mas sim à frente. Uma roda com esta disposição, tem um ângulo caster positivo ou, somente, caster. Quando se depara com a configuração contrária, em que o topo do pino mestre está avançado em relação ao ponto de contacto do pneu com o solo e em que a linha traçada por ela está recuada relativamente à vertical, tem-se um ângulo caster negativo. Num veículo com suspensão no eixo, este ângulo caster é obtido realizando uma montagem em que o topo do pino mestre (king pin, em terminologia inglesa) se encontra inclinado para trás em relação ao sentido de marcha. Este ângulo é normalmente medido em graus. A linha que o mede, é feita utilizando o centro do pino mestre. O ângulo caster (Figura 3) é o ângulo formado através desta linha com uma vertical e ambas são observados pela lateral do veículo. Um caster positivo tende a dirigir o veículo em linha reta, depois de realizar uma curva e quando o condutor larga o volante, é o chamado efeito de direção automática. Tomando mais uma vez como exemplo a bicicleta, enquanto se segue em linha reta, a sua direção tende a seguir direita. Se o guiador for rodado 180º, em que se obtém a configuração oposta, ou seja, um ângulo caster negativo, a roda da bicicleta tende a rodar. Fernando Vergas. 4.

(22) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. para a sua posição inicial, demonstrando muita instabilidade na direção enquanto a forqueta, que representa um pino mestre, se encontrar inclinada para trás. Mas outras forças reagem com um caster positivo, em que o veículo com esta configuração tende a seguir uma força aplicada lateralmente sobre ele. É o caso de uma via côncava, em que o veículo tenderá a fugir da via, ou no caso de vento lateral que empurrará o veículo na sua direção. [4]. 1.2.2 Ângulo de Camber. Figura 4 - Ângulo de Camber [4]. Ângulo camber (Figura 4) é observado pela frente do veículo, define o ângulo de incidência ao solo pelo plano das rodas, em que se o topo superior das rodas apresentar uma inclinação para o lado de fora tem um camber positivo (ou apenas camber), e negativo se as rodas tiverem uma inclinação para o interior do veículo. Este ângulo é medido em graus, através de duas linhas, uma delas na vertical e outra que é coincidente com o plano médio das rodas. Quando as vias eram construídas com uma curvatura apreciável, mais altas na linha média que nas suas bermas, era necessário grandes ângulos camber nas rodas para que. Fernando Vergas. 5.

(23) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. estas tivessem o pneu enquadrado com a via, mas nos dias de hoje, esse facto já não acontece, as vias modernas são construídas de uma forma quase plana, com muito pouca curvatura, tendo os veículos modernos de usar apenas um pouco de camber. Num veículo, o ângulo camber, desloca o ponto de contacto do pneu com a via para mais próximo do pino mestre da direção, o que facilita o girar das rodas e reduz o impacto das vibrações da via que são enviadas para a suspensão do veículo e para a direção do mesmo quanto atinge imperfeições na via. Podemos verificar, mesmo rodando um pneu à mão que não é necessário virá-lo completamente para realizar uma curva, basta inclinar o pneu para o lado pretendido, e observa-se que ele gira sobre uma envolvente cónica (cone espacial). Este efeito, proveniente de um camber positivo, tende a fazer com que as rodas girem para fora num veículo, por isso, a quantidade de ângulo de camber usada deve ser cuidadosamente analisada quando um veículo é projetado. [4]. Figura 5 - Inclinação king pin [4]. Fernando Vergas. 6.

(24) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Inclinação do pino mestre (Figura 5) é observada, também, pela frente do veículo e considerado pela inclinação do seu topo superior, traçando uma linha pelo mesmo e comparando-a com uma vertical, sendo medido em graus. A inclinação do king pin é sempre oposta ao ângulo camber. De salientar que uma boa inclinação do pino mestre reduz o camber a usar para se obter o ponto de contacto da roda com o solo próximo do eixo traçado pelo pino mestre. [4]. 1.2.3 Ângulo de convergência das rodas. Figura 6 - Convergência das rodas [4]. Fernando Vergas. 7.

(25) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Num caso de umas rodas dianteiras, estas devem idealmente rolar em planos paralelos quando o veículo circula em linha reta pela via, para assim evitar que haja um deslizamento lateral à medida que o veículo avança. Porque devido ao efeito cone provocado pelo camber, em que as rodas tendem a girar para fora do veículo, ou seja, a roda esquerda tende a girar para a esquerda e a direita para a direita. Esta situação acontece, porque as rótulas de direção e o tirante têm alguma folga para facilitar a direção. Para contrapor este facto, as rodas são alinhadas com algum toe-in (convergência). Mas o deslizamento lateral também deve ser considerado quando se realiza uma manobra, uma curva, para assegurar uma estabilidade na direção e prevenir um desgaste prematuro nos pneus. Cada roda deve estar a um ângulo de 90º em relação ao centro de rotação para que rode facilmente e não raspe a superfície do pneu. Com a geometria de direção de Ackermann as rodas tem de ser divergentes (toeout) em curva. O toe-out tem a razão de ser ajustado quando o veículo tiver tração, que dizer, potência nas rodas dianteiras, uma vez que em carga, os triângulos de suspensão tendem avançar em relação à carroçaria, “puxando-a em marcha”, criando convergência por efeito da força de tração. Se as rodas forem afinadas com paralelismo rigoroso (toe-in ou toe-out =0), em cargas, estas tendem a criar convergência, fazendo aumentar o atrito e retirando potência ao veículo, além de apressar o desgaste dos pneus. [4]. 1.3 Soluções de engenharia Desde do século XVIII que a geometria de direção de um veículo desperta interesse. Tomando como exemplo uma estrutura de carruagem habitualmente puxada por cavalos (Figura 7), em que a sua direção era efetuada através de um pino colocado ao centro de um eixo e à mesma distância de cada uma das rodas, em que todo o conjunto girava para completar uma curva.. Fernando Vergas. 8.

(26) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 7 - Geometria de uma carruagem [3]. Este sistema possibilitava às carruagens um raio muito pequeno de viragem, mas recorrendo a rodas suficientemente pequenas que coubessem debaixo da estrutura da carruagem sem colidir com a mesma. Mas rodas de tamanho muito pequeno poderiam ficar presas em buracos, por isso, para não sacrificar o tamanho das rodas eram feitas grandes cavidades para alojar as rodas o que contribuía para um aumento vertical do seu centro de gravidade. Como resultado, este provocava, em curvas muito apertadas, instabilidade na realização da manobra e escorregamento das rodas.. Figura 8 - Representação esquemática da geometria de Ackermann [3]. Na Figura 8 podemos verificar um esquema básico de uma geometria Ackermann, patenteada por Rudolph Ackermann em 1818. Nesta configuração o eixo fica imóvel,. Fernando Vergas. 9.

(27) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. girando apenas as rodas na execução das manobras. Outro aspeto a salientar, é que neste método as rodas não curvam paralelas entre si, mas traçando círculos de raios diferentes apesar do seu centro ser o mesmo para ambas as rodas. [2]. Fernando Vergas. 10.


(29) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 2 Eixo autodirecional 2.1 Enquadramento As exigências, cada vez maiores, de competitividade económica fazem com que seja mais recorrente o recurso a materiais mais económicos de produzir ou maquinar em peças, para que assim se possa colocar um produto no mercado ao melhor valor possível. Recorrendo a ferramentas de projeto é possível idealizar e simular a utilização de um produto no seu dia-a-dia. Testá-lo, apesar de ser numa forma virtual, concede a ideia de como se comportará um produto quando estiver na sua forma final. Assim é possível, tomar decisões de uma forma mais segura e acertada sobre que direção um projeto deve seguir, evitando gastos desnecessários. Isto, na conceção de um novo produto é possível prever o seu comportamento desde do seu esboço. Este trabalho focar-se-á na construção e análise estrutural de um eixo autodireccional de um reboque rodoviário, dando atenção aos processos e materiais utilizados no seu fabrico, de modo a rentabilizar o custo de produção. Tratando-se de um elemento importantíssimo, pois as suas vantagens de utilização são muitas, passando pela diminuição de diversos fatores do quotidiano, tais como a fluidez de trânsito, agressividade do piso da via, menos poluição, devido a um menor consumo de combustível e prevenindo o desgaste dos pneus, logo menos custos. Assim temos mais produtividade, mais acesso, mais segurança, mais flexibilidade e maior lucro.. 2.2 O mercado Existem diversas soluções no mercado para o efeito, sendo que estas variam em complexidade, conforme seja o seu propósito. Há eixos dedicados à circulação rodoviária, outros para maquinaria utilizada em trabalhos pesados, mas um aspeto a todos eles é comum, facilitar a manobra ao veículo que este equipa. Na Figura 9, podemos observar um produto fabricado pela Detroit, que aposta num produto leve, quando comparado com outros concorrentes na mesma gama de capacidade e salienta, que o seu eixo dispõe de maior capacidade de carga e por isso de uma maior. Fernando Vergas. 12.

(30) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. produtividade. O seu elemento central é composto de uma peça única. Este modelo permite um ângulo de viragem compreendido entre 45º e 55º dependendo da capacidade pretendida. [6]. Figura 9 - Eixo fabricado pela Detroit [6]. Na Figura 10, apresenta-se um produto oriundo da empresa holandesa VSE com um ângulo de viragem perto dos 40º, equipado com um amortecedor de direção para uma maior estabilidade. [7]. Figura 10 - Eixo fabricado pela VSE [7]. Na Figura 11, o mesmo tipo de eixo, já que também é fabricado pela VSE, mas este tem a particularidade de permitir a montagem de rodado duplo. [7]. Fernando Vergas. 13.

(31) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 11 - Outro eixo fabricado pela VSE [7]. Nas seguintes figuras (Figura 12 e Figura 13) encontra-se um eixo fabricado pela inglesa BPW Limited que poderá usufruir de um ângulo de viragem até 20º em modelos mais comuns, existindo modelos especiais que poderão oferecer um ângulo de 27º. [8]. Figura 12 - Eixo produzido pela BPW [8]. Fernando Vergas. 14.

(32) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 13 - Outra vista do eixo da BPW [8]. De seguida, na Figura 14 pode-se verificar um dos muitos eixos que a empresa francesa Colaert Essieux disponibiliza. Uma gama de eixos autodireccionais, dependendo da capacidade que se deseja. [9]. Figura 14 - Modelo da autoria da Colaert Essieux [9]. De facto todos estes modelos têm vários pontos em comum, facilitar a manobra dos veículos que equipa como referido atrás, mas também que o seu processo de fabrico é. Fernando Vergas. 15.

(33) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. dispendioso. Recorrendo a peças obtidas por fundição, ou forjamento de modo a melhorar as propriedades mecânicas e particularmente, a resistência à fadiga. 2.3 O Modelo O principal objetivo desta etapa é o de propor um traçado simples a partir de um bloco tipo barra ou bilete, em que as operações de corte e maquinação sejam reduzidas ao mínimo. Tendo em mente que as peças a obter deverão suportar esforços dinâmicos de alta velocidade (chegando mesmo a solicitações próximas de carga de impacto), o traçado final deverá considerar o mínimo risco quanto a fatores de concentração de tensões, cuidando assim de promover onde é necessário o traçado atenuador do dito campo de concentração de tensões. Os processos de modelação serão de otimização iterativa, ajustando os parâmetros do modelo até se obter os resultados desejados. Estudos anteriormente efetuados no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro, tendo como objetivo a proposta de projeto e construção de eixos autodirecionais para reboques rodoviários (projeto a ser desenvolvido conjuntamente com uma empresa de metalomecânica que requereu apoio técnico ao nosso Departamento), visavam, o desenvolvimento de componentes de traçado simples, possíveis de fabricar com meios económicos, exclusivamente por maquinação e tratamentos tecnológicos de melhoramento das propriedades mecânicas finais. Usualmente, quando são previstas grandes séries, é comum recorrer-se à fundição de qualidade (aço ou ferro fundido nodular) e forjamento de componentes de função crítica, como as mangas de eixo e travessas. Para produção de componentes e conjuntos em séries pequenas a médias, as operações de maquinação a partir de produtos siderúrgicos em barra ou tubo (perfil de seção retangular tubular de parede fina a medianamente espessa) podem permitir a uma empresa de pequena dimensão poder ter sucesso no fabrico destes elementos de construção para veículos de transporte. Uma geometria inicial, envolvendo superfícies de corte e de furação visando o mínimo de tarefas de maquinação, havia sido estudada, sendo tal desenho a base de investigação na análise estrutural dos componentes a seguir modelados por elementos finitos.. Fernando Vergas. 16.

(34) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Visto que, o projeto descrito já possuía uma geometria inicial (Figura 17), foi necessário delinear-se um caminho a percorrer. Assim, tendo como base a pesquisa efetuada e em trocas de ideias com o orientador da presente dissertação, elaboraram-se alguns esquiços que permitiriam observar se o projeto teria ou não fundamento para continuar (Figura 15, Figura 16). Figura 15 - Primeiros esquiços. Figura 16 - Esquiço com medidas. Fernando Vergas. 17.

(35) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 17 Geometria inicial. Então o primeiro passo seria realizar um eixo autodireccional que pudesse ser construído por processos de fabrico mais simples e mais comuns. Assim as diferentes partes foram pensadas para respeitar esse princípio. Este eixo pretende ser dimensionado para um veículo de 14 toneladas. Partindo desse pressuposto a geometria do elemento é testada. Para se chegar à geometria final foi necessário passar por alguns passos. A geometria inicial, depois de feita a sua análise concluiu-se que estava sobre dimensionada para o efeito a que era proposto, efetuando-se assim uma redução na geometria. Realizada esta redução e corrigindo alguns aspetos nos vários elementos do eixo, como o reforço de algumas zonas críticas. Na Figura 18 observa-se o eixo projetado, assim como os diversos componentes que o constituem devidamente identificados.. Fernando Vergas. 18.

(36) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 18 - Eixo e seus componentes (1-Trave Central; 2-Cotovelo; 3-Braço; 4-Eixo da Roda; 5-Pino; 6-Apoio Barra de Direção; 7-Barra de Direção;8-Ajuste Barra de Direção). Na Figura 19 pode-se observar em maior pormenor o braço que pertence a este eixo. A sua obtenção será por maquinação a partir de um bloco sólido de aço CK45 (norma DIN;C45E, norma Euronorm EN e AFNOR) [10], e prevê-se que de um só bloco, para otimização de custos, sejam produzidos os dois braços necessários para este eixo. São duas peças iguais, sendo a única diferença a furação que irá segurar o apoio da barra de direção. Para finalizar a peça, recorre-se a operações de furação e roscagem. Este elemento é o principal responsável pela manobra do veículo, porque será ele a girar.. Fernando Vergas. 19.

(37) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 19 - Braço. De seguida (Figura 20), um elemento que fará a ligação entre o braço e a trave central do eixo. Este elemento, denominado de cotovelo. Também obtido por maquinação. Este eixo contará com dois, exatamente iguais, por isso, a mesma ambição de se poder maquinar dois de um bloco sólido de aço EN C45E e completando o seu aspeto final com operações de furação.. Figura 20 - Cotovelo. Fernando Vergas. 20.

(38) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. O próximo elemento será a trave central (Figura 21), obtido de um perfil quadrado oco de aço ST52.3 (norma DIN;S 355 J 2 G 3, norma Euronorm EN e AFNOR) [10] disponível a nível comercial, tendo que ser cortado à medida pretendida.. Figura 21 - Trave central. Na Figura 22, observa-se um apoio da barra de direção, o eixo é composto por duas peças, que se encontra aparafusada cada uma no seu braço de viragem. Também elaborada em aço EN C45E a partir de maquinação e furação ou mesmo por corte por jato de água.. Figura 22 - Placa de apoio da barra de direção. Fernando Vergas. 21.

(39) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Observa-se na Figura 23, um dos elementos da barra de direção, compostas por dois destes elementos, obtidos por maquinação e finalizado com a operação de furação e roscagem sendo de aço EN C45E. A notar, que estes elementos que compõem a barra de direção, são de dimensões iguais, apenas a sua rosca tem sentidos diferentes.. Figura 23 - Barra de direção. Na Figura 24 um dos elementos também pertencentes à barra direção e responsável pelo seu ajuste, ou seja, este elemento permite o ajuste da convergência das rodas do eixo. Fabricado a partir de aço EN C45E, em operações de maquinação, furação e roscagem. Este elemento tem a particularidade, de ter uma rosca de sentido horária do lado direito e do lado esquerdo uma rosca anti-horária para permitir ajustar a convergência das rodas do eixo.. Fernando Vergas. 22.

(40) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 24 - Ajuste de convergência. Nesta próxima imagem (Figura 25), outro elemento fabricado em EN C45E, através de maquinação e furação. É o elemento que permite que o braço gire sobre o cotovelo.. Figura 25 - Pino. Fernando Vergas. 23.

(41) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Esta Figura 26 representa o eixo da roda, também a ser fabricado a partir de EN C45E, através de maquinação. Pretende representar o local onde ficará a roda do veículo no eixo.. Figura 26 - Peça representativa do eixo da roda. Como não se trata de um eixo que esteja envolvido na tração do veículo, optou-se por a solução mais barata, de processos de fabricação mais simples, em que a inclinação do pino mestre é de 0º, ângulo camber também é nulo. De referir, que este eixo autodirecional permite um ângulo de viragem de 20º. Na Figura 27, pode-se verificar uma representação esquemática da aplicação da geometria de Ackermann ao eixo autodirecional projetado.. Fernando Vergas. 24.

(42) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 27 - Representação da Geometria de Ackermann no eixo projetado. 2.4 Montagem Na montagem deste eixo utilizam-se elementos normalizados, como é o caso de parafusos, anilhas e porcas, elementos mais banais. Mas também rolamentos axiais de agulhas (Figura 28) (como se pode verificar no Anexo C – Diversos) para minimizar o atrito de um componente sobre outro, neste caso entre o braço e o cotovelo na zona inferior do eixo. A salientar que a representação do rolamento axial de agulhas foi simplificada, porque não está representado o disco de mancal axial, associado ao rolamento (Anexo C - Diversos). Entre o braço e o pino foi inserido um casquilho ou bucha (Figura 29) com dorso de aço e bolsas de lubrificação para permitir um excelente funcionamento dos componentes.. Fernando Vergas. 25.

(43) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Para verificar a solidez do conjunto cotovelo e pino utilizou-se um pino elástico (Figura 30) para garantir a sua posição. Prevê-se uma ligação soldada entre a trave central e os cotovelos, para solidificar o conjunto. A soldadura é um tipo de ligação/união por fusão de partes adjacentes de material, ou seja, processo empregue para a união de dois ou mais componentes de um sistema mecânico ou estrutural, conservando a continuidade física do material. [11] Como se encara esta dissertação em fase de projeto, as modificações necessárias de preparação a efetuar nas peças para o processo de soldadura não se encontram representadas.. Figura 28 - Posição de montagem do Rolamento de Agulhas. Fernando Vergas. 26.

(44) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 29 - Posição de montagem do Casquilho. Figura 30 - Posição de montagem do Pino. Fernando Vergas. 27.

(45) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Para fixar este eixo projetado, recorre-se à suspensão do veículo como se pode observar no exemplo da Figura 31.. Figura 31 - Exemplo de montagem do Eixo projetado à suspensão do veículo [12]. Na Tabela 1, estão descritos todos os componentes deste eixo, a sua designação e quantidades. Tabela 1 - Descrição e quantidades dos componentes do eixo. DESCRIÇÃO Trave Central Cotovelo Direito Cotovelo Esquerdo Braço Direito Braço Esquerdo Eixo da Roda Pino Disco de EncostoEGW42 E50 [13] Bucha EGB4040-E50 [14] Apoio Barra de Direção Barra de Direção Barra de Direção CCW Ajuste de Barra de Direção Pino Elástico EN ISO 8752-10x100-St [15] Anilha ISO 7089-M20-140HV [15] Anilha ISO 7089-M10-140HV [15] Parafuso Cabeça Cilíndrica com Oco Hexagonal ISO4762M10x25-8.8 [15] Rolamento de Agulhas Axial ISO 3096 AXK4060 [16]. QUANT. 1 1 1 1 1 2 2 2 4 2 1 1 1 2 2 8 8. Parafuso de Cabeça Cilíndrica com Oco Hexagonal ISO4762M20x60-8.8 [15] Porca Hexagonal ISO 4032-M20-8 [15]. 2. Fernando Vergas. 2. 4. 28.

(46) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 2.5 Material O material de eleição foi o aço de construção ao carbono (EN C45E) temperado em óleo. O carbono é o elemento de liga mais importante nos aços, porque permite aumentar a dureza e resistência dos aços. Trata-se de um aço com têmpera superficial, utilizado em órgãos de máquinas, veios, cavilhas, parafusos, porcas, entre outros. São peças que apresentam uma dureza superficial elevada, mas também uma boa resistência ao desgaste e capaz de absorver esforços elevados a que as peças são sujeitas. [17] Na Tabela 2 observa-se as caraterísticas mecânicas dos aços escolhidos para a construção deste eixo.. Tabela 2 - Caraterísticas mecânicas dos aços utilizados [17]. Aço. 𝑅𝑀 (MPa). 𝑅𝑃0.2 (MPa). A (%) 𝐿0 = 5 𝑑0. EN C45E. ≥ 555. ≥ 270. ≥ 14. EN S 355 J 2 G 3. ≥ 440. ≥ 270. ≥ 17. 𝑅𝑀 – Tensão de rotura 𝑅𝑃0.2 – Tensão limite convencional de proporcionalidade 0.2% A – Extensão após rotura. Fernando Vergas. 29.

(47) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 3 Modelação de forças e análise estrutural 3.1 Software Estes elementos foram modelados com o auxilio de uma software de CAD, o SolidWorks 2014, que permite observar cada um dos elementos na sua forma pretendida e como se conjugam entre si. Recorrendo a outra ferramenta do software é possível verificar como se comportam os vários elementos em determinadas situações, tais como, numa situação de travagem e de transposição de obstáculos. Assim é possível abdicar de protótipos dispendiosos e tudo o que está a eles associados, como é a sua construção e reconstrução, onde está inerente atrasos de projeto. O recurso à análise computacional permite uma redução do custo de cada teste, porque é possível analisar um modelo virtual aproximado da realidade, poupando tempo e dinheiro. O software recorre à análise de elementos finitos, para calcular as deformações, tensões e deslocamentos causados por forças internas e externas. O SolidWorks Simulation, ferramenta de análise estrutural, permite a aplicação de uma malha, a um modelo CAD, do tipo tetraédrica (1ª e de 2ª ordem), triangular (1ª e de 2ª ordem), barra e treliça. Uma malha pode ser composta por um tipo de elementos ou vários, conforme a malha desejada. [18] Neste caso, a análise com elementos finitos é composta por tetraedros de quatro nós de deformação constante, CST (constant strain tetrahedron), e utilizada pelo software para de forma automática gerar a malha. As condições de fronteira foram simplificadas devido ao sistema ser composto por vários módulos, tais como, braços, cotovelos, eixo rígido, barra de direção, entre outros. Assim para estudar os esforços nos componentes de uma só roda, só foi considerado uma parte de um dos extremos. Realizou-se uma subestruturação do problema, em que o eixo foi cortado e nessa secção de corte assumiram-se condições de fronteira do tipo nós bloqueados.. Fernando Vergas. 30.

(48) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 3.2 Modelação de forças Podemos verificar na Figura 32 a aplicação dos parâmetros usados numa análise estática de uma travagem no elemento responsável pela viragem das rodas. Tem-se uma força F de 40kN aplicada no braço, que representa o peso do veículo considerado para uma roda, Está representada esquematicamente no furo mas pretende representar a zona de contato entre a superfície do braço e o rolamento axial de agulhas. Duas pressões (Pa e Pb), cada uma de 16.53 MPa a incidir nos furos, simulando o comportamento do king pin durante o caso de uma travagem. Estás pressões estão representadas no centro do furo. Sendo que o furo do eixo da roda fixo (G) foi considerado como sendo a condição de fronteira imposta à simulação.. Figura 32 - Representação da aplicação de forças e pressões na peça. Fernando Vergas. 31.

(49) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Com a travagem do pneu/roda, gera-se um binário de forças na sede de articulação rotativa do King pin. Tais forças geram um binário que deve ser igual ao momento resistente de travagem do pneu atritando no piso quando os travões são acionados (Figura 33). Tais reações do king pin desenvolvem da face interna dos furos em que o king pin se monta, tensões de contacto com cálculo explicado no ponto 9.1 deste trabalho. Acresce referir que, o momento de reação ao momento de travagem das rodas é transmitido pelo par de forças de contacto no king pin (como se sugere na Figura 32 Representação da aplicação de forças e pressões na peça) por esforço torsional ao eixo dianteiro (travessa rígida) que por sua vez transmite às molas transversais de flexão que seguram a travessa rígida em posição. Esta solução é simples e económica.. King Pin. Momento de travagem. Figura 33 - Forças geradas no braço de montagem do king pin por efeito do momento de travagem. Nesta Figura 34, à esquerda encontra-se a peça em corte (A-A), para melhor visualizar o furo. Temos a representação da força F aplicada na superfície do cotovelo, novamente representa o peso do veículo (zona de contato entre a superfície do cotovelo e o. Fernando Vergas. 32.

(50) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. rolamento de agulhas), bem como a pressão aplicada pelo king pin no furo no caso de travagem (Pa e Pb de valor igual). Neste caso, o interior do furo foi divido em 4 zonas idênticas para se poder escolher de uma forma mais correta a zona de aplicação da pressão realizada pelo king pin. Neste caso foi definido a face de encosto à trave central como sendo a condição de fronteira G (assinalada a verde) a respeitar como geometria fixa (como se pode observar no Anexo B – Resultados das simulações).. Figura 34 - Força aplicada na face inferior e pressão no interior do furo. No próximo caso (Figura 35), a simulação pretende verificar o comportamento da trave central desde do local de junção com o cotovelo até à zona onde se aplica a suspensão do veículo. Para isso foi estimada uma distância para o efeito e na figura podemos observar as zonas de aplicação de pressão no caso da travagem. Sendo essa secção de corte (G, a verde) usada, também, para definir a condição de fronteira do elemento em análise e definida como fixa (Anexo B – Resultados das simulações). A fim de simular um caso de travagem, aplica-se quatro pressões, de intensidade igual, nas zonas indicadas.. Fernando Vergas. 33.

(51) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 35 - Pressão aplicada na trave. 3.3 Análise estrutural 3.3.1 Análise estática de tensões Num primeiro passo, recorreu-se a uma análise estática de tensões, a mais comum das usadas. Toma como ponto de partida que o material tem um comportamento linear, desprezando as forças de inércia. Considera que o sólido regressa à sua forma original depois de ter sido submetido a uma força ou pressão, por exemplo. Assim, é possível calcular tensões, deslocamentos e deformações. O material cede quando as tensões ultrapassam um determinado valor. Quando um corpo é sujeito a uma força ou pressão, verifica-se uma geração de forças internas para que essa carga seja diluída para outros pontos. Designa-se por tensão o efeito provocado pelas forças internas. Sendo que, a tensão é a força por unidade de superfície. Assim, entende-se, que a tensão, resultante de uma carga, num ponto, é a intensidade da força numa pequena área à volta desse ponto. [19]. 3.3.1.1 Em caso de travagem Pode-se assim retratar o que seria o aspeto da trave central do eixo perante a simulação realizada (Figura 36). De salientar que o movimento que a figura transparece não se. Fernando Vergas. 34.

(52) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. assemelha à realidade, sendo uma apresentação do software para melhor dar uma ideia para o que se passa no elemento quando este está sujeito a situação de trabalho, neste caso, uma travagem. O elemento encontra-se fixo (condição de fronteira) na secção definida em corte e representativa da zona de fixação com a suspensão do veículo.. Figura 36 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Trave central). Da aplicação de uma pressão de 8.7 MPa nas zonas indicadas do elemento, verificase uma tensão de von Mises máxima de 40 MPa, revelando que o material resiste ao trabalho exigido. O mesmo tipo de simulação realizou-se no cotovelo, na Figura 37 apresenta-se o seu resultado. Também é possível verificar a face definida como condição de fronteira (geometria fixa).. Fernando Vergas. 35.

(53) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 37 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Cotovelo). Nesta situação, aplica-se na parte superior do cotovelo uma força de 40kN e duas pressões de 33.3 MPa no interior do furo com sentidos opostos. A superfície do furo foi dividida em 4 partes iguais, por forma, a poder-se definir com mais exatidão a zona afetada pelo comportamento do pino. Da simulação retira-se uma tensão de von Mises máxima de 81 MPa, que se encontra abaixo do limite do material. Na Figura 38, verifica-se o resultado da simulação efetuada no braço. As setas verticais representam uma forca de 40kN, enquanto no interior dos furos está aplicada uma pressão de 16.53 MPa, simulando, também neste elemento, o comportamento do pino no caso de uma travagem. Utilizando novamente o furo do eixo da roda como condição de fronteira (geometria fixa). Verifica-se uma tensão von de Mises máxima de 174.3 MPa, igualmente abaixo da tensão limite do material.. Fernando Vergas. 36.

(54) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 38 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Braço). Nesta próxima situação (Figura 39), verifica-se a simulação realizada no pino, duas pressões em direções contrárias, a de cima com 92 MPa e a de baixo com 57.6 MPa. Esta simulação revelou que o pino apresenta uma tensão superior ao limite do material na zona próxima do furo, local definido como fixo no programa. Esta simulação foi realizada para uma situação extrema, em que se considera como estando 60% do peso total do reboque em cima do eixo e um coeficiente de atrito ótimo entre o pneu e a via, como se pode verificar no Anexo C – Diversos. Ainda a salientar que o pino, não irá estar em funcionamento da mesma forma que está a ser analisado, já que se encontra inserido num furo. A condição de fronteira utilizada na análise foi a fixação do pino nas faces próximas do furo, o que contribuiu para o resultado da simulação, já que em trabalho o pino nunca estará tão exposto como na análise.. Fernando Vergas. 37.

(55) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 39 - Representação da deformação provocada por uma travagem (Pino). No 9.1 Cálculo de Pressão (Anexo C), pode-se encontrar a metodologia usada para se encontrar as pressões a que os elementos estão sujeitos. Foi usado o caso do pino para o demonstrar, onde se também calculou a tensão de corte a que o componente estará sujeito, que demonstrou analiticamente que o componente não atinge a sua tensão limite. 3.3.1.2 No caso de quase impacto Outro aspeto tido em conta, foi o comportamento dos elementos constituintes do eixo no caso de este passar por um buraco ou mesmo subir um passeio. Na Figura 40, pode-se observar novamente a trave central na mesma situação anteriormente vista, mas com zona de aplicação de pressões escolhidas para relatar e simular este novo caso. A condição de fronteira continua a ser a mesma que no caso anterior de travagem.. Fernando Vergas. 38.

(56) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 40 - Tensões de von Mises num caso quase impacto (Trave central). Nesta simulação observa-se duas pressões de igual valor (40.6 MPa) originando uma situação de compressão e de tração no elemento provocando uma tensão de von Mises máxima de 46 MPa, bem abaixo da resistência do material. De seguida, o caso do cotovelo, na Figura 41, as setas verticais aplicadas na superfície superior retrata uma força de 40kN, enquanto no furo, dividido em quatro partes iguais, se encontra duas pressões de direções opostas de 59.72 MPa. Neste caso a simulação apresenta uma tensão de von Mises (175.5 MPa) inferior à tensão limite do material. Mesma condição de fronteira utilizada no caso de travagem.. Fernando Vergas. 39.

(57) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 41 - Tensões de von Mises num caso de quase impacto (Cotovelo). No próximo elemento, retratado na Figura 42, cada furo tem a sua superfície dividida em duas partes iguais e aplicada uma pressão de 29.6 MPa. As setas verticais representam uma força de 40kN. Verifica-se uma tensão máxima de von Mises de 65.1 MPa, abaixo da resistência limite do material. Sendo a condição de fronteira a fixação do furo do eixo da roda, como no caso da travagem.. Fernando Vergas. 40.

(58) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. Figura 42 - Tensões de von Mises num caso de quase impacto (Braço). Todas as simulações (tensão, deformação e deslocamento) podem ser observadas no Anexo B – Resultados das simulações.. 3.3.2 Análise à fadiga A análise à fadiga pretende verificar a resistência dos vários elementos quando sujeitos a cargas repetitivas num determinado período de ciclos. Foram efetuadas análises aos elementos principais do eixo. Cada elemento foi submetido a um milhão de ciclos com resultados positivos. Para complementar os resultados obtido pelo software, recorreu-se à análise analítica para verificar a metodologia utilizada na análise, como se pode analisar no 9.2 Dimensionamento à Fadiga no anexo c. De salientar que todos os relatórios referentes à análise à fadiga poderão ser visionados em Anexo B – Resultados das simulações.. Fernando Vergas. 41.

(59) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 4 Conclusão O objetivo principal deste trabalho foi o de contribuir para o projeto de um eixo de veículo rodoviário para fins específicos baseado num traçado simples e fabricado com processos expeditos e tendo em vista sempre a preocupação a nível de custos. No mercado atual, o valor de custo de produção de um produto torna-se importantíssimo para a sobrevivência de quem o procura realizar. Assim, nesta dissertação de mestrado, ao desenvolver os vários componentes que integram o eixo, a preocupação com o seu custo de produção e com desperdícios resultantes foi elevada. Com base nas simulações efetuadas, tendo como pilar o SolidWorks Simulation e as informações retiradas a partir de cada simulação, foi possível obter um eixo encontrando os objetivos anteriormente referidos. A simulação numérica baseada em elementos finitos (SolidWorks) revelou-se ideal para procedimentos de projeto, uma vez que, considerando que o sistema de forças exteriores aplicado ao conjunto estrutural a projetar, não poderia gerar tensões além do limite elástico, as análises efetuadas foram sempre no campo linear, sendo possível a sua reformulação com traçados alternativos, sem grande demora para o investigador.. Fernando Vergas. 42.


(61) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 5 Trabalhos futuros Em complemento às etapas anteriormente levadas a cabo, seria um contributo importante efetuar análise experimental de tensões num eixo real, usado por exemplo técnica de extensometria elétrica, as quais permitem resultados de grande rigor, embora forneçam a informação apenas em pontos discretos do conjunto a analisar. Em complemento às potencialidades da extensometria, poderia efetuar-se a análise dinâmica usando excitadores eletromagnéticos a fim de avaliar o comportamento modal e estimar as frequências nocivas à segurança do veículo.. Fernando Vergas. 44.


(63) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 6 Bibliografia. [1] F. Mouchet, Artist, Rudolph Ackermann. [Art]. National Portrait Gallery,London. [2] D. King-Hele, Erasmus Darwin's Improved Design for Steering Carriages, 2002. [3] N. W. Troupe, “Optimization of Steering Geometry For Ultra‐High‐Mileage Vehicles,” The Pennsylvania State University, 2011. [4] U. A. O. C. a. School, Wheeled Vehicles Steering Systems. [5] H. P. a. D. L. Richard Hathaway, “Making suspension geometry work”. [6] D. Axles. [7] V. T. S. B.V., Advanced steering & Suspension solutions, 2009. [8] BPW, “BPW,” [Online]. Available: http://www.bpw.de/en/products/commercialvehicles/axles/self-steering-axles-ll.html. [Acedido em 16 Setembro 2014]. [9] C. Essieux, General Catalogue, 2013. [10] A. e. I. S. F. Ramada, Aços Especiais - Catálogo. [11] DISUMEG, “Processos de soldadura,” [Online]. Available: http://www.disumeg.com/processos-de-soldadura/. [Acedido em 24 12 2014]. [12] S.-H. Group, “Application Guide - Trailer Mechanical Suspensions,” SAFHOLLAND Group, Estados Unidos da América, 2011. [13] SCHAEFFLER, “Medias,” [Online]. Available: http://medias.schaeffler.com/medias/pt!hp.ec.br/AXK?#AXK. [Acedido em 24 Outubro 2014]. [14] SCHAEFFLER, “Medias,” [Online]. Available: http://medias.schaeffler.com/medias/pt!hp.ec.br.pr/EGB..-E50*EGB3030-E50. [Acedido em 24 Outubro 2014]. [15] S. Morais, Desenho Técnico Básico Volume 3, Porto Editora, 2007.. Fernando Vergas. 46.

(64) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. [16] SKF, Needle roller bearings Catálogo, SKF, 2010. [17] P. Soares, Aços, Características e Tratamentos, 1992. [18] D. Systemes, “SolidWorks,” [Online]. Available: http://www.solidworks.com/sw/products/simulation/finite-element-analysis.htm. [Acedido em 7 Outubro 2014]. [19] J. M. R. T. e. J. O. Fonseca, Introdução ao SolidWorks: Análise de tensões de peças, FEUP - Departamento de Engenharia Mcânica, 2012. [20] A. B. d. Morais, Textos de apoio às aulas de Mecânica de Estruturas e colecção de exercícios para as aulas práticas., Aveiro: Departamento de Engenharia Mecânica, 2009. [21] A. B. d. Morais, Textos de apoio às aulas de Sistemas Mecânicos, Aveiro: Departamento de Engenharia Mecânica, 2009/2010. [22] R. S. e. T. Abecasis, “Eurocódigo 3:Projeto de Estruturas de Aço,” CMM, 2010. [23] W. Norris, Modern Steam Road Wagons, Longmans, Green and co., 1906. [24] “Street Rodder,” 2014. [Online]. Available: http://www.streetrodderweb.com/tech/0902sr_science_of_straight_axles/viewall.html. [Acedido em 22 Setembro 2014]. [25] M. A.-P. Guitian, Manual de Automóviles, Madrid: CieDossat, 2004.. Fernando Vergas. 47.

(65) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 7 Anexo A – Desenhos de definição. Fernando Vergas. 48.


(67) 1. 2. 3. 4. 1100. A. B. VISTA 3D (1:10). 10. C. 120. D. 120 E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Trave Central. 4-11-2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN S 355 J 2 G 3 WEIGHT:. SCALE:1:3. 1. A4 SHEET 1 OF 1.

(68) 1. 2. 3. 4. B. R8. 60. R145. R36. A. A. A. 60. 46 R30. °. R18. R18 10 100. 60. 127. 134. B. 255. 60. SECÇÃO B-B. 100. 100. 120. 120. C. 240. B 60. VISTA 3D (1:5). 40. 1,5. D. 121,5 E. SECÇÃO A-A UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. REVISION. TITLE:. Cotovelo Esquerdo. 5/11/2014. CHK'D APPV'D. F. DO NOT SCALE DRAWING. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:3. 2. A4 SHEET 1 OF 1.

(69) 1. 2. 3. B. R8. R3. 4. 60. R145. A. 60. 60. SECÇÃO B-B. 46° A. R30. 256. A. 10. B. C. B. 134. 127. R18. 100 120. 100. 120 240. 121,5 60. 40. 100. VISTA 3D (1:5). D. 1,5 SECÇÃO A-A. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Cotovelo Direito. 5/11/2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:3. 2.1 SHEET 1 OF 1. A4.

(70) 1. 2. 3. 4. A. 45. 70. 85. 40 102,5. 40. B. 205. 60. 40. 205. 30. 25. 4x M12 60 240. C. R18. 120. 45. VISTA 3D (1:5). 20. 4x M10. 60. 120. R18. 60. R30 240. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. REVISION. TITLE:. Braço Esquerdo. 5/11/2014. CHK'D APPV'D. F. 44. 30. 240. D. R18. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:4. 3. A4 SHEET 1 OF 1.

(71) 1. 2. 3. 4. VISTA 3D (1:5). A. 240. R18. 240. B. 60. 120. 30. 20. R30. 60. 45. 44. R18. 120. C. 70. 30. 85. 60. 40. 102,5. 40. 205. 40. 25. D. R18. 4x M12 60. 45 240. 240. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Braço Direito. 5/11/2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:4. 3.1 SHEET 1 OF 1. A4.

(72) 1. 2. 3. 4. 30. A. B. 280. VISTA 3D. 140. C. D. 15. 40 E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Eixo da Roda. 7-11-2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:2. 4. A4 SHEET 1 OF 1.

(73) 1. 2. 3. 4. A. 205. 10. 102,5. B. C. 40. D. VISTA 3D. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Pino. 7/11/2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:2. 5. A4 SHEET 1 OF 1.

(74) 1. 2. 3. 4. A. R25. R45. R10. B. VISTA 3D. 4x. R45. R45. R10. R10. 20. C. 10. 100. 20. 200. D. 60. 100. 20. 60. 30. 25° 30. 300. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. REVISION. TITLE:. 7/11/2014. Apoio Barra de Direção. CHK'D APPV'D. F. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45 E WEIGHT:. SCALE:1:4. 8. A4 SHEET 1 OF 1.

(75) 1. 2. 3. 4. R10 SECÇÃO A-A. 20. A. R10. 40 A 50. 25. A. B. 20. VISTA 3D (1:2) 394. 20. 200. C. B. B. D. M20 SECÇÃO B-B. E. Nota : Rosca no sentido anti-horário UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. REVISION. TITLE:. 7/11/2014. Barra de Direção CCW. CHK'D APPV'D. F. DO NOT SCALE DRAWING. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:3. 9. A4 SHEET 1 OF 1.

(76) 1. 2. 3. 4. R10 SECÇAO A-A. 20. A. R10. 50. 25. 40. A. A. B. 20. 20. VISTA 3D (1:2). 200. 394. C. D. B. B. M20 SECÇÃO B-B. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. REVISION. TITLE:. Barra de Direção. 5-11-2014. CHK'D APPV'D. F. DO NOT SCALE DRAWING. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:3. 9.1 SHEET 1 OF 1. A4.

(77) 1. 2. A. 3. 4. M20. 170. VISTA 3D (1:5). B. 170. 500. C. D. M20 E. 40 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. Nota: Um dos lados a rosca é no sentido anti-horário. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. 7/11/2014. Ajuste de Direção. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. EN C45E WEIGHT:. SCALE:1:3. 10. A4 SHEET 1 OF 1.

(78) 1. 2. 4. 3. 6. 5. 7. 8. A. A. 340. 1199. B. B. VISTA 3D (1:15). 1369. 1759. C. C. D. 265. D. 344. 2079 E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Eixo. 15/11/2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. 1. 2. 3. 4. MATERIAL:. WEIGHT:. DWG NO.. SCALE:1:8. 16. A3 SHEET 1 OF 1.

(79) 1. 2. 3. 4. 6. 5. 7. DETALHE A (1:5). A. 8. A. 3.1. 5 11. 16. 2.1 B. B. 1. 9 13. 12. 8 14. C. 9.1. 17. C. 2 6. 15. 10. 3. D. D. 7. 4 17 DETALHE B (1:2). E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Vista Explodida. 11/11/2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. 1. 2. 3. 4. MATERIAL:. WEIGHT:. DWG NO.. SCALE:1:8. 17. A3 SHEET 1 OF 2.

(80) 1. 2. 3. 4. A. Número Peça. Descrição. Quant.. 1 2. Trave Central. 1. Cotovelo Esquerdo. 1. 2.1 3. Cotovelo Direito Braço Esquerdo. 1. 3.1 4 5. Braço Direito Eixo da Roda Pino. 1 2 2. 6. Disco de Encosto EGW42 E50. 2. 7 8. Bucha EGB4040 E50 Apoio Barra de Direção. 4. 9 9.1 10. Barra de Direção CCW Barra de Direção Ajuste Barra de Direção. 1 1 1. 11. Pino Elástico EN ISO 8752-10x100-St. 2. 12. Anilha ISO 7089-M20-140HV. 2. 13. Anilha ISO 7089-M10-140HV. 8. 14. Parafuso Cabeça Cilíndrica com Oco Hexagonal ISO 4762M10x25-8.8. 8. 15. Rolamento de Agulhas Axial ISO 3096 AXK4060. 4. 16. Parafuso de Cabeça Cilíndrica com Oco Hexagonal ISO 4762M20x60-8.8. 2. 17. Porca Hexagonal ISO 4032-M208. 4. B. C. D. 1. 2. E. UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: NAME DRAWN Fernando Vergas. DEBUR AND BREAK SHARP EDGES. FINISH:. SIGNATURE. DATE. DO NOT SCALE DRAWING. TITLE:. Lista de Material. 11/11/2014. CHK'D APPV'D. F. REVISION. MFG Q.A. MATERIAL:. DWG NO.. SCALE:1:8. 17.1 SHEET 2 OF 2. A4.

(81) Análise Estrutural de um Eixo Autodirecional de Reboque Rodoviário. 2013/14. 8 Anexo B – Resultados das simulações. Fernando Vergas. 50.
